Wärme- und Stoffübertragung von Prallstrahl-Strömungen für Trockenmaschinen
Prallstrahlen werden wegen ihres guten Wärme- und Stoffübergangs häufig zum Trocknen von Materialien wie Papier und Textilien verwendet. Bei industriellen Trocknungsanlagen sind neben effizienten Transporteigenschaften, die Kraft des Strahls auf dem zu trocknenden Material wichtig, insbesondere für empfindlichen Produkte (z.B. Papier, Textilien) oder empfindlichen Oberflächen (z.B. Anstrich, Beschichtung). Dabei müssen zahlreiche Einflussfaktoren und Parameter berücksichtigt werden, für den einzelnen Strahl sowie bezüglich der Wechselwirkung zwischen den Strahlen. Für eine Auslegung von Trocknungsanlagen mit komplexen Düsenströmungen fehlen oft die passenden Unterlagen sowie ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkung aller Konstruktions- und Betriebsparameter. Diese werden jedoch benötigt, um industrielle Trocknungsanlagen zu optimieren, einerseits bezüglich der Kapitalkosten (Gerätegröße) andererseits bezüglich der Betriebskosten (Energieverbrauch).
Im Rahmen dieser Arbeit werden der Wärme- und der Stoffübergang sowie die Druckkraft für einzelne Runddüsen, Düsenreihen und Düsenfelder und einer bewegten Fläche untersucht. Dazu werden numerische Simulationen durchgeführt und der Einfluss folgender Parameter variiert: Austrittsgeschwindigkeit des Strahls, Düsendurchmesser, Abstand der Düse zur Oberfläche, Abstand der Düsen, Neigungswinkel des Prallstrahls, Krümmung der Oberfläche und Geschwindigkeit der Oberfläche. Anschließend wird auf Grundlage der maßgeblichen Einflussgrößen eine Optimierung des Düsenfeldes durchgeführt. Für die mittleren Nusselt-Zahlen- und Koeffizienten der Druckkraft werden Korrelationsgleichungen aus den Simulationsergebnissen abgeleitet.
Die vorliegende Arbeit zeigt, dass es möglich ist, die komplexen Strömungsphänomene, die bei industriellen Trocknungsprozessen auftreten, unter Verwendung von generischen Programmen zur Strömungssimulation (CFD) und Wirbelviskositätsmodellen zur Turbulenzmodellierung mit ausreichender Genauigkeit wiederzugeben. Auf diese Weise können komplexe und umfangreiche Berechnungen auf der Grundlage einer aufwändigeren Turbulenzmodellierung (z.B. Reynolds-Stress-Modell oder Large Eddy Simulation) ebenso vermieden werden wie die aufwändigen Messungen in Düsenfeldern mit bewegten Oberflächen. Unter Verwendung der aus den Berechnungen abgeleiteten Korrelationsgleichungen können die Abhängigkeiten der wichtigsten Einflussgrößen leicht bestimmt werden.
Die Analyse der berechneten Strömungsfelder zeigen unterschiedliche Strömungsbereiche aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkungen. Um diese Phänomene näher zu erforschenen sind weitere Untersuchungen möglich: Simulationen, die auch die Turbulenz weitgehend erfassen (z.B. Large Eddy Simulation, Direct Numerical Simulation) sowie Messungen der Prallstrahlströmung und des Wärme- bzw. Stoffübergangs.
